面向降噪的羅茨風機設計
1 羅茨風機每次吸入、排出的風量很大并有突變現象,從而產生較大的噪聲,被稱之為機械產品的“聲老虎”,羅茨風機特別是在高壓的情況下尤甚,且風量越大、壓力越高、轉速越快,則噪聲就越大,而現代化大生產又希望羅茨風機能提供更高的壓力和更大的風量。從噪聲源著手,在設計與制造方面提出降低噪聲的一些方法。
2 噪聲分析
羅茨風機噪聲主要包括機械噪聲和氣動噪聲,而氣動噪聲又包括旋轉噪聲和渦流噪聲。機械噪聲主要有齒輪噪聲、軸承噪聲及管路振動噪聲等。旋轉噪聲是在旋轉的葉輪掠過較窄的通道出口處時,沿周向的氣動壓力與氣流速度都有很大的變化,使得周期性吸、排氣以及瞬時等容壓縮而形成的氣流速度與壓力脈動,產生的很大氣體動力噪聲 。渦流噪聲又稱紊流噪聲,是由于紊流邊界層及其脫離引起氣流壓力脈動造成的。一方面,葉輪旋轉時,表面形成渦流,這些渦流在表面分裂時產生了渦流噪聲;另一方面,高壓氣體通過間隙向低壓區泄漏并通過孔口、彎道時也會產生渦流噪聲。這些噪聲再加上風機進氣容積的亥姆霍茲共鳴,就使羅茨鼓風機的噪聲達到了令人難以忍受的程度。
羅茨風機結構設計
3.1 羅茨風機設計回流孔
在機殼出風端未過轉子中心處開一定的U形條孔,可以減輕出風口端的壓力爆發,在葉輪與機殼、墻板所形成的容腔即將進入密閉狀態時,羅茨風機使出風口的高壓氣體有少量部分能回流入容腔,并使容腔與出風口氣室形成一定的壓力平衡。同時,當葉輪繼續旋轉時,容腔體積變小,壓力增加,又可使得密閉容腔在大量排出氣體前能通過回流孔預排,這樣既可減少“死角”氣體的渦流噪聲,又可減少排氣時由于壓力過于釋放造成的沖擊噪聲 。羅茨風機這也是目前國內正在不斷研制的“逆流冷卻”技術。進氣回流孔的孔道應與“死角”相連,且出口方向應與排氣方向一致；孔的尺寸也不宜過大,一般取10～15mm ,且夾角δ也應小于20°,否則會由于內泄過大而造成風量不能滿足要求。
3.2 設計異形進出風口
傳統羅茨風機的進出風口為矩形口,吸氣時,整個葉輪外圓同時進入密封區,使氣體突然關閉,排氣時葉輪外圓又同時打開,則高壓氣體突然釋放,羅茨風機使得吸入和排出氣體時都會產生高噪聲并伴有較大振動。將進出風口設計成異形口,吸入時的密封和排出時的打開基于開口面積由最大到零和由零到最大,均為漸變,羅茨風機從而延緩了進排氣口氣體壓差的變化率,起到削減周期性排氣沖擊噪聲的作用,因此使噪聲低而平穩。異形口的形式很多,從制造方便的角度出發,最常用的是菱形口或斜口,孔口的斜度與風口尺寸及機殼長度有關。通常,羅茨風機風口大、機殼短,則斜度可大,宜設計斜口,制造簡單;反之,宜設計菱形口。
3.3 轉子串接設計法
葉輪一般作為一個整體與軸聯接,若將羅茨風機葉輪沿軸向分成幾段,則構成串接轉子。每段葉輪具有相同的葉型、直徑,甚至相同的長度。串接時,相鄰兩段葉輪周向錯開一定的角度(兩葉錯開90°,三葉錯開60°) ,并在機殼內或葉輪段間設置隔板,羅茨風機將其隔成相應的段,每一段的工作情況都與單臺鼓風機相似。由于各段葉輪的工作過程有一定的時間差,使氣流脈沖減少,與同長度的單一葉輪相比總排氣流量不變而脈動變得更加平穩,噪聲也相對較低。
3.4 設計扭曲葉輪
羅茨鼓機葉輪輪齒一般與軸線平行,即直齒狀,這樣加工、檢測就比較方便,但隨著加工技術的發展,還是應設計成扭曲葉輪,即斜齒狀,因為這樣可以增加嚙合線長度。扭葉羅茨鼓風機工作平穩、輸氣脈動小、噪聲低,而且工作時具有內壓縮過程,與直葉羅茨鼓風機相比效率高、能耗低,是羅茨鼓風機傳統的替代產品。
3.5 葉輪曲線的CAD 設計法
葉輪作為羅茨風機的心臟零件,表面形狀至關重要,氣體是通過兩個葉輪表面的嚙合,來進行吸氣與排氣的。為了使這對葉輪能正常嚙合,葉輪曲線一般都設計成漸開線、擺線或圓包絡線。羅茨風機基于設計及制造工藝,傳統葉輪一般設計成單一型線,通過數學方法計算出各種參數,包括中心距、基圓、壓力角、起始嚙合角等。隨著計算機及數控技術的發展,CAD 設計軟件和數控編程軟件功能也越來越強大,應充分利用軟件資源,對葉輪曲線進行分段、組合設計,改掉以往的單一曲線,通過CAD 進行模擬、仿真,保證葉輪在任何情況下嚙合時均可有相對固定的間隙。因為這種組合曲線在現代的數控機床上編程、加工已不是難事。均勻的葉輪間隙不僅能大大提高平穩性、降低噪聲,而且還能保證風量、振動、壽命等重要的機械性能。
4 制造精度
精度的提高意味著產品成本的增加,羅茨風機但為了滿足所需性能,又不得不提高相應方面的精度。下面就為滿足低噪性能方面提出應提高的精度。
4.1 葉輪表面質量及平衡
葉輪表面質量主要取決于材質及加工質量。羅茨風機對于小葉輪,一般選擇鑄鋼或球墨鑄鐵,并與軸鑄成一體,大葉輪選擇HT200 ,粗糙度為Ra3. 2 ,羅茨風機在數控機床上加工,取較小的走刀量,可獲得較低的粗糙度;轉子平衡至少應保證G6. 3 ,最好提高到G5. 6 。
4.2 軸承精度
軸承作為易損件,一般的企業都不愿提高其精度使產品成本增加,這樣往往得不償失。因為低精度軸承產生較大的振動和摩擦,且其作為整個機器的裝配基準,對整機性能及其它零部件的壽命都有至關重要的影響。國外羅茨風機的軸承精度一般至少相當于我國的C 級標準。
4.3 齒輪精度
齒輪間隙、運動準確性、齒向精度等直接決定著葉輪嚙合的均勻性及平穩性,齒面粗糙度又是摩擦噪聲的主要來源之一。因此,羅茨風機按國標要求齒輪精度應保證在7 級以上,而一般機械加工廠的齒輪加工、檢測手段往往不強,使精度不能滿足要求。所以齒輪加工最好是與專業的齒輪加工廠協作。
4.4 風道質量
光滑的風道表面能讓氣流順利通過,不僅有利于減少損失,而且能大大減少因氣流流動受阻而帶來的嘯叫聲,因此,羅茨風機管道內壁應盡量降低粗糙度,減少彎道數量;進出風口不宜處于急變流場,應由方變圓光滑過渡。若系統中有多個管件,如彎頭、支管等,則它們之間的距離應拉開5～10 倍管徑。
5 采用消聲、隔聲、隔振等措施
羅茨風機除了在結構及制造精度方面控制噪聲外,在軸承、齒輪、密封處應使用優質的潤滑油,進出風口配設消聲器,整機及配套設備外圍設計隔聲罩,有條件的地方可將風機置于地下室工作或選擇水下羅茨鼓風機進行隔聲、隔振等。
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